Comprender la Impedancia de Traza: Por Qué Importa en el Diseño de PCB

En las placas de circuito impreso, los cables y trazas se forman típicamente de cobre porque es el elemento menos resistente aparte de la plata. Ponga un óhmetro sobre una traza y la resistencia DC es casi insignificante.

Lo mismo no se puede decir de la impedancia AC. La impedancia, a diferencia de la resistencia, se basa en la frecuencia. Todos los cables y trazas generarán al menos algo de impedancia a la corriente que fluye desde cualquier driver. Aunque usualmente debe tener un tiempo de subida bastante rápido para sus señales para que la impedancia de traza se convierta en un problema, es importante que sea consciente de que la impedancia de traza existe y puede convertirse en un problema.

Pero, ¿por qué necesitamos preocuparnos por la impedancia de traza? ¿Por qué existe y es posible controlarla? Si ha escuchado el término "impedancia controlada", probablemente ya sepa que es posible controlar la impedancia. Pero para entender cómo y por qué, es importante entender un poco sobre la naturaleza de la impedancia de traza.

Cómo Funciona la Impedancia de Traza

Cada traza tiene una pequeña inductancia en serie casi indistinguible distribuida a lo largo de la traza con una relación inversa a la sección transversal de la traza. A medida que los tiempos de subida aumentan, la impedancia resultante se vuelve más notable. Por el mismo token, cada traza tiene capacitancia distribuida a lo largo de la traza y la ruta de retorno de la señal, que es una función del ancho de la traza y el dieléctrico del material entre la ruta de retorno de la señal y la traza. Una vez más, si los tiempos de subida aumentan lo suficiente, la impedancia generada mientras la corriente intenta fluir a través de esta capacitancia puede ser significativa.

Sus drivers leen todas las trazas como circuitos LC distribuidos y la impedancia AC de su traza proviene de este circuito LC distribuido. Esto se considera impedancia no controlada. No hacemos esfuerzo por diseñar el entorno de la traza para tener en cuenta esta impedancia, permitiendo que la inductancia y capacitancia varíen como quieran a lo largo de la traza. Dado que la impedancia resultante usualmente no tiene efecto en las operaciones, no hay necesidad de perder tiempo o dinero diseñando formas de controlarla.

Impedancia Controlada

Pero, ¿qué pasa si nos preocupa el efecto de la impedancia en nuestras operaciones? Podemos diseñar una placa donde la traza se vea como una línea de transmisión, permitiéndonos evitar reflexiones terminándola en su impedancia característica. ¿Cómo funciona el diseño de un circuito de impedancia controlada?

Cuando controlamos la impedancia, nos aseguramos de que la impedancia sea constante en cada punto a lo largo de la traza en lugar de variar de punto a punto como en una situación normal de impedancia no controlada. Para controlar la impedancia, necesitamos controlar tres características de la geometría del circuito: el ancho de la traza, el espaciado entre la ruta de retorno de la señal y la traza de señal, y el coeficiente dieléctrico del material que rodea la traza. También puede querer abordar el grosor de la traza. Por ejemplo, un cable coaxial es una línea de transmisión de impedancia controlada.

Puede cambiar estas características geométricas y aún retener impedancia controlada siempre y cuando cambie otras características según sea necesario para que la relación entre estos aspectos no cambie y la impedancia permanezca constante.

Cómo Determinar la Impedancia de Traza de PCB

Para fabricar placas de circuito impreso de impedancia controlada, uno debe ser capaz de medir la impedancia. La mejor forma de calcular la impedancia de traza es usando una calculadora de impedancia de traza. Puede encontrar calculadoras de impedancia de traza en línea o en su software CAD. Hay varios parámetros a considerar al determinar la impedancia, incluyendo:

• Ancho de traza
• Grosor de traza
• Grosor de laminado
• Grosor dieléctrico
• Peso de cobre

Una vez que haya calculado todos los parámetros relevantes, puede ajustar todos los anteriores (típicamente el ancho de traza) para llegar a la impedancia que busca. Una vez que crea que está en una impedancia aceptable, puede probar la efectividad de la placa usando cupones de prueba fabricados en el mismo panel al mismo tiempo, para que pueda obtener una buena calificación de impedancia sin los desafíos de acceder a las trazas en la placa real. Las trazas del cupón de prueba deben ser idénticas a las trazas de la placa para obtener una prueba precisa.

Típicamente, el fabricante construirá cupones de prueba en cualquiera de los extremos del panel de producción para que al probar ambos cupones, obtenga una lectura de impedancia muy confiable sin dañar la placa. Los probadores miden la impedancia con un Reflectómetro de Dominio Temporal (TDR) o un analizador de red.

La impedancia puede medirse usando un analizador de red, un Reflectómetro de Dominio Temporal (TDR) de laboratorio o un sistema de prueba de impedancia controlada que emplea técnicas TDR. Un ingeniero con práctica usando sistemas de prueba de impedancia controlada ejecutará la prueba de impedancia para asegurar resultados de alta calidad.

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